本发明公开了一种减少软岩大变形的变径式输水隧洞设计方法，包括如下步骤：确定非变径有压隧洞直径d0；建立有压隧洞软岩段隧洞直径模型；确定有压隧洞软岩段水头增量模型；确定有压隧洞硬岩段隧洞直径模型；建立有压隧洞变径式组合模型；确定变径式组合最优值。相比于扩挖、掌子面预处理、加强初期支护措施和超前导洞等传统软岩大变控制措施，本发明是从设计原理角度实现了软岩大变形量的降低，既可以减少支护措施，节省工程造价，也可以降低软岩大变形风险，确保隧洞施工工期。(56)对比文件齐文彪;刘阳.吉林中部供水工程关键技术问题综述.长江科学院院报.2012,(08),1-6.吴剑疆.大埋深输水隧洞设计和施工中的关键问题探讨.水利规划与设计.2020,(04),123-128.
1.减少软岩大变形的变径式输水隧洞设计方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一，确定非变径有压隧洞直径d0；
在所述步骤一中，根据有压隧洞进出口作用水头H0，按式（1）计算非变径有压隧洞直径d0，；（式1）
式中：Q为有压隧洞设计流量，单位m/s；g为重力加速度，单位9.8m/s ；μ0为非变径有压隧洞沿程阻力+局部阻力的流量系数；H0为有压隧洞长度进出口作用水头差，单位m；
在所述步骤二中，将0.5d0作为软岩洞段可缩小的最小值，并采用等分法建立有压隧洞软岩段隧洞直径模型，如式（2）所示： ；（式2）
式中：Dr为有压隧洞软岩段直径的集合，其包括三个元素dr1、dr2和dr3，dr1、dr2和dr3分别代表软岩段直径缩小至非变径有压隧洞直径d0的90%、70%和50%；
在所述步骤三中，基于式（1）和式（2），建立软岩段隧洞水头增量模型，如式（3）所示： ；（式3）
式中：△H为有压隧洞软岩段水头增量的集合，其包括三个元素△h1，△h2和△h3，△h1，△h2和△h3分别代表因软岩段隧洞尺寸缩小至dr1、dr2、dr3导致的隧洞水头损失增加量；h1、h2和h3分别代表软岩段直径为dr1、dr2、dr3时对应的隧洞进出口水头差；μr1、μr2和μr3分别代表直径为dr1、dr2、dr3时对应的软岩段隧洞沿程阻力+局部阻力的流量系数；
在所述步骤四中，基于式（1）和式（3），建立有压隧洞硬岩段隧洞直径模型，如式（4）所示：；（式4）
式中：Dy为有压隧洞硬岩段隧洞洞径的集合，其包括三个元素dy1、dy2和dy3，dy1、dy2和dy3分别代表硬岩段隧洞可选择的最小洞径尺寸，单位m；μy1、μy2、μy3分别代表直径为dy1、dy2、dy3时对应的硬岩段隧洞沿程阻力+局部阻力的流量系数；
在所述步骤五中，基于上述式（1）‑式（4）建立有压隧洞变径式组合模型，如式（5）所示： ；（式5）
式中：S为有压隧洞变径式组合的集合，其包括三个元素s1、s2和s3。
2.根据权利要求1所述的减少软岩大变形的变径式输水隧洞设计方法，其特征在于，在所述步骤六中，确定最优变径式组合主要考虑隧洞软岩可能变形量和变径比e尽可能大，变径比e主要出于减少局部水头损失和方便施工角度考虑，其中变径比e为软岩段洞径与硬岩段洞径之比。
3.根据权利要求2所述的减少软岩大变形的变径式输水隧洞设计方法，其特征在于，当有压隧洞软岩段预测变形＞50%时，选择s3为变径式组合最优值，即软岩段直径缩小至非变径有压隧洞直径d0的50%，硬岩段直径不小于dy3；
当有压隧洞软岩段预测变形＞30%且≤50%时，选择s2为变径式组合最优值，即软岩段直径缩小至非变径有压隧洞直径d0的70%，对应硬岩段直径不小于dy2；
当有压隧洞预测变形为＞10%且≤30%时，选择s1为变径式组合最优值，即软岩段直径缩小至非变径有压隧洞直径d0的90%，对应硬岩段直径不小于dy1。
减少软岩大变形的变径式输水隧洞设计方法
技术领域
[0001] 本发明涉及引调水工程领域，更具体地说是一种减少软岩大变形的变径式输水隧洞设计方法，主要适用于穿越软岩地段有压输水隧洞洞径设计。
背景技术
[0002] 引调水隧洞工程面临复杂的地质条件，隧洞施工必须解决好高地应力、软岩大变形、突水涌泥、有毒有害气体等各种问题。由于隧洞属于线性工程，长达几百公里，沿线软硬岩体交替变化，已有工程表明，部分隧洞软岩大变形可达数米，导致其无法满足隧洞引水要求，制约工期，严重影响隧洞社会效益发挥，并造成大量经济浪费，现有的软岩大变形是指可达到几米的软岩变形。
[0003] 目前引调水隧洞工程中，针对软岩大变形常采用的措施包括扩挖，即通过扩大开挖断面弥补软岩大变形；掌子面预处理包括超前灌浆、超前管棚、超前小导管；加强初期支护措施包括喷射混凝土采用早强型、增厚喷射厚度、加大钢拱架刚度、采用长锚杆进行支护；和超前导洞，即提前释放应力等。上述措施在工程中得到了广泛应用，并取得较好效果。但不难发现，以上措施均属于后处理措施，即隧洞已发生变形或将发生变形所采用的措施，其具有一定的滞后性和不可控性，且工程造价较高。
[0004] 因此，提出一种减少软岩大变形的变径式有压输水隧洞设计方法很有必要。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于克服上述现有背景技术的不足之处，而提供一种减少软岩大变形的变径式输水隧洞设计方法。本发明通过研发一种变径式有压输水隧洞设计方法，克服了现有软岩大变形处理措施具有一定滞后性、不可控性、造价较高的缺点，在保证隧洞压力水头不变的前提下，实现了减少软岩段隧洞变形的目的。
[0006] 本发明的目的是通过如下措施来达到的：减少软岩大变形的变径式输水隧洞设计方法，包括如下步骤：
[0007] 步骤一，确定非变径有压隧洞直径d0；
[0008] 步骤二，建立有压隧洞软岩段隧洞直径模型；
[0009] 步骤三，确定有压隧洞软岩段水头增量模型；
[0010] 步骤四，确定有压隧洞硬岩段隧洞直径模型；
[0011] 步骤五，建立有压隧洞变径式组合模型；
[0012] 步骤六，确定变径式组合最优值。
[0013] 在上述技术方案中，在所述步骤一中，根据有压隧洞进出口作用水头H0，按式（1）计算非变径有压隧洞直径d0，
[0014] ；（式1）
[0015] 式中：Q为有压隧洞设计流量，单位m3/s；g为重力加速度，单位9.8m/s2；μ0为非变径有压隧洞沿程阻力+局部阻力的流量系数；H0为有压隧洞长度进出口作用水头差，单位m。
[0016] 在上述技术方案中，在所述步骤二中，将0.5d0作为软岩洞段可缩小的最小值，并采用等分法建立有压隧洞软岩段隧洞直径模型，如式（2）所示：
[0017] ；（式2）
[0018] 式中：Dr为有压隧洞软岩段直径集合，其包括三个元素dr1、dr2和dr3，dr1、dr2和dr3分别代表软岩段直径缩小至非变径有压隧洞直径d0的90%、70%和50%。
[0019] 在上述技术方案中，在所述步骤三中，基于式（1）和式（2），建立软岩段隧洞水头增量模型，如式（3）所示：
[0020] ；（式3）
[0021] 式中：△H为有压隧洞软岩段水头增量的集合，其包括三个元素△h1，△h2和△h3，△h1，△h2和△h3分别代表因软岩段隧洞尺寸缩小至dr1、dr2、dr3导致的隧洞水头损失增加量；h1、h2和h3分别代表软岩段直径为dr1、dr2、dr3时对应的隧洞进出口水头差；μr1、μr2和μr3分别代表直径为dr1、dr2、dr3时对应的软岩段隧洞沿程阻力+局部阻力的流量系数。
[0022] 在上述技术方案中，在所述步骤四中，
[0023] 基于式（1）和式（3），建立有压隧洞硬岩段隧洞直径模型，如式（4）所示：
[0024] ；（式4）
[0025] 式中：Dy为有压隧洞硬岩段隧洞洞径的集合，其包括三个元素dy1、dy2和dy3，dy1、dy2和dy3分别代表硬岩段隧洞可选择的最小洞径尺寸，单位m；μy1、μy2、μy3分别代表直径为dy1、dy2、dy3时对应的硬岩段隧洞沿程阻力+局部阻力的流量系数。
[0026] 在上述技术方案中，在所述步骤五中，
[0027] 基于上述式（1）‑式（4）建立有压隧洞变径式组合模型，如式（5）所示：
[0028] ；（式5）
[0029] 式中：S为有压隧洞变径式组合的集合，其包括三个元素s1、s2和s3。
[0030] 在上述技术方案中，在所述步骤六中，确定最优变径式组合主要考虑隧洞软岩可能变形量和变径比e尽可能大，变径比e主要出于减少局部水头损失和方便施工角度考虑，其中变径比e为软岩段洞径与硬岩段洞径之比。
[0031] 在上述技术方案中，当有压隧洞软岩段预测变形＞50%时，选择s3为变径式组合最优值，即软岩段直径缩小至非变径有压隧洞直径d0的50%，硬岩段直径不小于dy3；
[0032] 当有压隧洞软岩段预测变形＞30%且≤50%时，选择s2为变径式组合最优值，即软岩段直径缩小至非变径有压隧洞直径d0的70%，对应硬岩段直径不小于dy2；
[0033] 当有压隧洞预测变形＞10%且≤30%时，选择s1为变径式组合最优值，即软岩段直径缩小至非变径有压隧洞直径d0的90%，对应硬岩段直径不小于dy1。
[0034] 本发明不仅可以减少有压隧洞软岩的隧洞大变形，同时克服了现有软岩大变形处理措施具有一定滞后性、不可控性、造价较高的缺点，且具有较好的适用性。具体优点如下：
[0035] （1）相比于非变径有压隧洞软岩段变形量大，本发明通过缩小软岩段洞径方式，可有效减少软岩段隧洞变形量，并通过扩大硬岩段洞径方式，实现隧洞全洞段压力水头不变，保证隧洞全程有压输水。
[0036] （2）相比于扩挖、掌子面预处理、加强初期支护措施和超前导洞等传统软岩大变控制措施，本发明是从设计原理角度实现了软岩大变形量的降低，既可以减少支护措施，节省工程造价，也可以降低软岩大变形风险，确保隧洞施工工期。
[0037] （3）本发方法具有较好的适用性，表现为不同洞径均可采用本发明提出的设计方法，同时可也结合具体实际工程，在本发明提出的变径式组合模型基础上，用线性插值方式增加变径式组合，从而选取最适合实际工程的最优变径组合。
附图说明
[0038] 图1为本发明减少软岩大变形的变径式输水隧洞的设计流程图。
具体实施方式
[0039] 下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。
[0040] 软岩变形与隧洞洞径有着直接关系，软岩变形大小与隧洞洞径呈正相关关系，即洞径越大则软岩变形越大，洞径越小则软岩变形越小；基于上述原理，本发明提出一种减少软岩大变形的变径式有压输水隧洞设计方法，即缩小软岩段引水隧洞洞径，以达到减少软岩段隧洞大变形的目的；由于隧洞洞径与水头损失呈负相关，软岩段隧洞洞径的缩小，势必增加了该段隧洞的水头损失，为保证隧洞压力水头不变，则需扩大硬岩段隧洞洞径，以弥补软岩段增加的水头损失，从而实现整条隧洞水头损失不变的目的。
[0041] 参阅附图可知：减少软岩大变形的变径式输水隧洞设计方法，包括如下步骤：
[0042] 1）确定非变径有压隧洞直径d0
[0043] 根据有压隧洞进出口作用水头H0，按式（1）计算非变径有压隧洞直径d0
[0044] ；（式1）
[0045] 式中：Q为有压隧洞设计流量，单位m3/s；g为重力加速度，单位9.8m/s2，μ0为非变径有压隧洞沿程阻力+局部阻力的流量系数；d0为非变径有压隧洞直径，单位m；H0为有压隧洞长度进出口作用水头差，单位m；
[0046] 2）建立有压隧洞软岩段隧洞直径模型
[0047] 根据式（1）可知，有压隧洞直径d0与进出口作用水头H00.25呈线性反比例关系，即在流量系数不变情况下，d0缩小1倍，则水头需增加16倍方可保证隧洞过流能力不变；在实际引调水工程中，引调水隧洞进出口水头差较为有限，因此软岩段缩小洞径不可能无限缩小，故将0.5d0作为软岩洞段可缩小的最小值，并采用等分法建立有压隧洞软岩段隧洞直径模型，如式（2）所示：
[0048] ；（式2）
[0049] 式中：Dr为有压隧洞软岩段直径的集合，其包括三个元素dr1、dr2和dr3，dr1、dr2和dr3分别代表软岩段直径缩小至非变径有压隧洞直径d0的90%、70%和50%；
[0050] 3）确定有压隧洞软岩段水头增量模型
[0051] 基于式（1）和有压隧洞软岩段直径模型，建立软岩段隧洞水头增量模型，如式（3）所示：
[0052] ；（式3）
[0053] 式中：△H为有压隧洞软岩段水头增量的集合，其包括三个元素△h1，△h2和△h3，△h1，△h2和△h3分别代表因软岩段隧洞尺寸缩小至dr1、dr2、dr3导致的隧洞水头损失增加量；h1、h2和h3分别代表软岩段直径为dr1、dr2、dr3时对应的隧洞进出口水头差；μr1、μr2和μr3分别代表直径为dr1、dr2、dr3时对应的软岩段隧洞沿程阻力+局部阻力的流量系数；
[0054] 4）确定有压隧洞硬岩段隧洞直径模型
[0055] 基于式（1）和有压隧洞软岩段隧洞水头增量模型，建立有压隧洞硬岩段隧洞直径模型，如式（4）所示：
[0056] ；（式4）
[0057] 式中：Dy为有压隧洞硬岩段隧洞洞径的集合，其包括三个元素dy1、dy2和dy3，dy1、dy2和dy3分别代表硬岩段隧洞可选择的最小洞径尺寸，单位m；μy1、μy2、μy3分别代表直径为dy1、dy2、dy3时对应的硬岩段隧洞沿程阻力+局部阻力的流量系数。
[0058] 5）建立有压隧洞变径式组合模型
[0059] 基于上述（1）‑（4）建立有压隧洞变径式组合模型，如式（5）所示：
[0060] ；（式5）
[0061] 式中：S为有压隧洞变径式组合的集合，其包括三个元素s1、s2和s3。
[0062] 6）确定变径式组合最优值
[0063] 确定最优变径式组合主要考虑隧洞软岩可能变形量和变径比e（软岩段洞径与硬岩段洞径之比）尽可能大，后者主要出于减少局部水头损失和方便施工角度考虑。
[0064] 具体选择策略如下：当有压隧洞软岩段预测变形＞50%时，选择s3为变径式组合最优值，即软岩段直径缩小至非变径有压隧洞直径d0的50%，硬岩段直径不小于dy3；
[0065] 当有压隧洞软岩段预测变形＞30%且≤50%时，选择s2为变径式组合最优值，即软岩段直径缩小至非变径有压隧洞直径d0的70%，对应硬岩段直径不小于dy2；
[0066] 当有压隧洞预测变形为＞10%且≤30%时，选择s1为变径式组合最优值，即软岩段直径缩小至非变径有压隧洞直径d0的90%，对应硬岩段直径不小于dy1。
[0067] 通过以上步骤，完成本发明一种减少软岩大变形的变径式输水隧洞设计方法的实施。
[0068] 经初步测算，本发明方案较传统方案，可减少超前管棚、超前小导管等超前支护措施工程量约30%，减少超前导洞等传统软岩大变控制措施对应工程量，工程造价占优。同时已有工程因软岩大变形导致TBM卡机时长数月，甚至以年计，本发明有效降低TBM卡机风险，节省工期可达数月乃至年计，综上本发明专利造价及工期具有较好优势。
[0069] 其他未详细说明的均属于现有技术。
